DNA

De bouw van DNA

DNA en RNA zijn nucleïnezuren: lange ketens van nucleotiden. Elk nucleotide bestaat uit een fosfaatgroep, een suiker en een stikstofbase, en via suiker en fosfaat zitten ze aan elkaar geregen.

Dubbelstrengs DNA bestaat uit twee van die ketens, tegenover elkaar en om elkaar heen gedraaid tot een helix. De suiker-fosfaatruggen liggen aan de buitenkant, de basen wijzen naar binnen. Daar vindt de basenparing plaats: A altijd tegenover T, C altijd tegenover G.

Door die vaste koppeling zijn de ketens complementair — uit de ene volgt de andere, en juist dat maakt kopiëren en aflezen mogelijk. Enkelstrengs DNA komt voor bij sommige virussen, en tijdelijk overal waar de streng openligt. In de kern is het geheel opgerold tot chromosomen.

DNA tegenover RNA

Alle materie bestaat uit atomen; die vormen samen moleculen, en een atoom of groepje atomen met een lading heet een ion. In de biologie draait het om een handvol elementen, met koolstof als skelet van vrijwel elk groot molecuul.

DNA en RNA verschillen op drie punten. RNA heeft ribose als suiker, DNA desoxyribose. RNA gebruikt uracil waar DNA thymine gebruikt. En RNA is enkelstrengs, terwijl DNA meestal dubbel is.

De twee DNA-ketens worden bijeengehouden door waterstofbruggen tussen de basen: twee per A-T-paar, drie per C-G-paar. Elk daarvan is zwak, maar met miljoenen tegelijk levert dat een stevig molecuul op dat tóch open te ritsen is. In de kern ligt het DNA gewikkeld om histonen, en hoe strakker die wikkeling, hoe minder er wordt afgelezen.

De RNA-soorten

DNA blijft in de kern; het werk daarbuiten wordt door RNA gedaan, en elke soort heeft daarin zijn eigen taak.

mRNA is de boodschapper. Het is een afschrift van één gen, verlaat de kern door een kernporie en levert de code af bij het ribosoom. Het gaat maar kort mee, zodat de cel snel kan omschakelen.

tRNA is de aanvoerder. Elk molecuul draagt één aminozuur en heeft een anticodon dat op het passende codon van het mRNA klikt. Zo belandt het juiste aminozuur op de juiste plaats in de keten.

rRNA is bouwmateriaal en werktuig tegelijk: samen met eiwitten vormt het het ribosoom, en het verzorgt daar de koppeling tussen de aminozuren. DNA bewaart dus, RNA voert uit.

Structuur en functie

De vorm van een nucleïnezuur past bij zijn taak. Dubbelstrengs DNA is stabiel en beschermt de informatie. RNA is enkelstrengs en kan zich juist opvouwen: dat geeft tRNA zijn klaverbladvorm en stelt rRNA in staat om als katalysator te werken.

Ook de plaats zegt iets. Kern-DNA ligt in chromosomen in de celkern, bevat vrijwel alle genen en komt van beide ouders. Daarnaast heeft een cel nog kleine, cirkelvormige voorraden: mitochondriaal DNA en, bij planten, chloroplast-DNA. Beide bevatten genen voor de eiwitten van dat organel zelf, Mitochondriaal DNA erft bij de mens doorgaans via de eicel over. Bij planten verschilt de overerving van organel-DNA per soort: zij kan moederlijk, vaderlijk of tweezijdig zijn.

Dat die organellen een eigen DNA hebben dat op bacterieel DNA lijkt, is meteen het sterkste argument voor de endosymbiosetheorie.

De basenvolgorde bepalen

De basenvolgorde is de informatie zelf, en met de genetische code valt eruit af te leiden welk eiwit erbij hoort. Om die volgorde te achterhalen is meestal eerst meer materiaal nodig.

Dat levert PCR. In cycli van verhitten en afkoelen wordt een stuk DNA telkens verdubbeld, waarbij primers aangeven waar het kopiëren begint. Uit een spoortje speeksel of een haarwortel groeit zo genoeg om mee te werken.

Sequencen bepaalt daarna de volgorde base voor base. Restrictie-enzymen knippen DNA op vaste herkenningsplaatsen, zodat stukken los te maken zijn en in een plasmide kunnen worden gezet. Samen maken die technieken opsporingsonderzoek, erfelijkheidsonderzoek, stamboomonderzoek en biotechnologie mogelijk.

Van code naar aminozuur

Een eiwit is een keten aminozuren, en welke aminozuren dat zijn staat in het DNA. De code werkt in drietallen: elk codon van drie basen staat voor één aminozuur. Met vier basen levert dat 64 combinaties voor twintig aminozuren, dus meerdere codons betekenen hetzelfde — de code is redundant, maar nooit dubbelzinnig.

Start- en stopcodons hebben daarnaast een bijzondere functie. In het standaardmodel markeert AUG het begin van translatie en codeert het voor methionine. Er zijn drie stopcodons in de standaardcode; daarbij hoort geen aminozuur en daar laat het ribosoom de keten los.

Transcriptie en translatie

De eiwitsynthese verloopt in twee stappen, op twee plaatsen. Bij de transcriptie wordt in de kern één gen overgeschreven naar mRNA. Van de twee DNA-strengen dient de matrijsstreng als mal; het mRNA wordt daar complementair aan gebouwd, en komt dus overeen met de coderende streng. Het aflezen gebeurt altijd in dezelfde richting.

Het mRNA verlaat de kern en gaat naar een ribosoom in het cytoplasma. Daar volgt de translatie: tRNA-moleculen brengen elk hun eigen aminozuur aan en klikken met hun anticodon op het passende codon. Het ribosoom, dat zelf uit rRNA en eiwitten bestaat, koppelt de aminozuren aan elkaar.

Eiwitten die de cel gaat uitscheiden, worden gemaakt aan het ruwe endoplasmatisch reticulum en verder afgewerkt en verpakt in het golgi-systeem.

Van keten naar werkend eiwit

De volgorde van de aminozuren — de primaire structuur — ligt vast in het gen en bepaalt alles wat daarna gebeurt. De keten vouwt zichzelf op: eerst plaatselijk tot spiralen en vouwbladen (secundair), dan tot de complete ruimtelijke vorm van één keten (tertiair), vastgezet door onder meer zwavelbruggen. Bestaat het eiwit uit meerdere ketens samen, zoals hemoglobine, dan heet dat de quaternaire structuur.

Die vorm ís de functie. Een enzym past alleen op zijn substraat als het goed gevouwen is. Eén verkeerd aminozuur kan de vouwing veranderen en het eiwit onbruikbaar maken — dat is waarom een puntmutatie zulke grote gevolgen kan hebben.

Coderend en niet-coderend DNA

Van al het DNA in een menselijke cel codeert maar een paar procent voor een eiwit. De rest heet niet-coderend, en dat is iets anders dan nutteloos.

Een deel bestaat uit regelplaatsen: promotoren en bindingsplaatsen waar eiwitten aangrijpen die bepalen of een gen wordt afgelezen. Een ander deel bestaat uit herhalingen die per persoon in lengte verschillen — precies wat een DNA-profiel bruikbaar maakt. Weer een ander deel levert RNA dat zelf werk doet zonder ooit eiwit te worden.

De genetische code geldt alleen voor het coderende deel. Dat die code bij bacteriën, planten en mensen vrijwel identiek is, wijst op één gemeenschappelijke oorsprong, en het verklaart waarom een geschikt menselijk coderend DNA-fragment met passende regelgebieden in een bacterie tot expressie kan komen. Voor introns en eventuele eiwitbewerking zijn aanvullende aanpassingen nodig.

Introns en exons

Veel eukaryote genen zijn onderbroken. Het bestaat uit exons, die in het eindproduct terechtkomen, met daartussen introns, die dat niet doen.

Bij de transcriptie wordt eerst alles overgeschreven. Daarna knipt de cel de introns eruit en plakt ze de exons aan elkaar; pas dat rijpe mRNA verlaat de kern. Door exons verschillend te combineren levert één gen bovendien meerdere eiwitten op, wat verklaart hoe de mens met ongeveer twintigduizend genen veel meer eiwitten maakt.

Bacteriën kunnen de introns van een menselijk gen doorgaans niet op dezelfde manier verwijderen. Wie een menselijk gen in een bacterie wil laten werken, gebruikt daarom cDNA: DNA dat vanaf het rijpe mRNA is teruggeschreven en alleen exons bevat.

Van gen naar eiwit

Genexpressie is het hele traject van gen tot werkend product. Het begint met de transcriptie: RNA-polymerase hecht aan de promotor, ritst de dubbele streng open en bouwt langs de matrijsstreng een RNA-keten op.

Bij eukaryoten volgt de splicing, waarbij de introns eruit gaan en de exons aaneen komen. Het rijpe mRNA verlaat daarna de kern.

Aan het ribosoom volgt de translatie. Die begint bij het startcodon en loopt codon voor codon door tot een stopcodon; tRNA's voeren de aminozuren aan in de volgorde die het mRNA voorschrijft. De keten vouwt zich op, vaak met hulp van andere eiwitten. Eiwitten voor uitscheiding of bepaalde membranen doorlopen het endoplasmatisch reticulum en golgi-systeem; veel andere eiwitten functioneren in het cytoplasma of worden op een andere manier naar hun bestemming gebracht. Van alle genen op de chromosomen staat er per cel steeds maar een deel aan.

Elk celtype zijn eigen eiwitten

Veel lichaamscellen van een organisme hebben vrijwel dezelfde genen, maar lezen er andere af. Daardoor heeft elk celtype zijn eigen verzameling eiwitten, en dat is precies wat het celtype tot celtype maakt.

De taken lopen ver uiteen. Enzymen versnellen reacties, structuureiwitten leveren stevigheid, motoreiwitten verplaatsen blaasjes langs het cytoskelet. In het membraan zitten receptoren die signalen opvangen en transporteiwitten die stoffen doorlaten; membraaneiwitten dienen daarnaast als herkenningspunt. Naar buiten toe maken cellen antistoffen voor de afweer en eiwithormonen die andere organen aansturen.

Een kliercel zit daarom vol ruw endoplasmatisch reticulum en golgi-systeem, een spiercel vol samentrekkende eiwitdraden. Dezelfde bibliotheek, een andere selectie.

Genexpressie en het organisme

Wat een organisme is, volgt uit welke genen waar en wanneer aanstaan. Het fenotype is dus niet alleen een kwestie van welke genen aanwezig zijn, maar vooral van hun expressie.

Om te achterhalen waar een gen voor dient, wordt het in een proefdier of cellijn opzettelijk uitgeschakeld: een knock-out. Uit wat er daarna misgaat — een orgaan dat niet wordt aangelegd, een stof die zich ophoopt, gedrag dat uitblijft — blijkt de normale functie.

Die aanpak laat ook zien hoe verweven het geheel is. Eén uitgeschakeld gen kan een hele reeks andere processen ontregelen, terwijl een ander gen zonder zichtbaar gevolg gemist wordt doordat een tweede gen de taak overneemt.

Waarom genregulatie nodig is

Vrijwel alle lichaamscellen met een kern hebben hetzelfde DNA, maar een levercel is geen zenuwcel. Het verschil zit niet in welke genen er zijn, maar in welke er aanstaan.

Genregulatie is dat aan- en uitzetten. Zonder die regeling zou elke cel alles tegelijk aanmaken: een enorme verspilling, en bovendien onmogelijk om nog gespecialiseerde weefsels te vormen. Ook binnen één cel wisselt het voortdurend — een enzym dat nu nodig is, is dat straks niet meer.

Genregulatie bij prokaryoten

Bij bacteriën is het schakelmechanisme goed te overzien. Vóór een structuurgen — het gen voor het eiwit dat de cel wil maken — liggen een promotor, waar het afleesenzym aanhecht, en een operator, die als schakelaar dienstdoet.

Een apart regulatorgen codeert voor een repressor. Zit die op de operator, dan komt het afleesenzym er niet langs en blijft het gen uit. In een induceerbaar systeem kan een beschikbare stof aan de repressor binden, zodat die loslaat en transcriptie mogelijk wordt. Andere systemen werken anders: een eindproduct kan de repressor juist activeren. Gebruik het mechanisme uit de gegeven context. Zo maakt de bacterie het enzym precies wanneer er iets te doen is.

Genregulatie bij eukaryoten

Bij eukaryoten is het ingewikkelder, want er zijn veel meer genen en veel meer situaties.

Hier bepalen transcriptiefactoren of een gen wordt afgelezen: eiwitten die aan het DNA binden, meestal met meerdere tegelijk. Een activator bevordert de transcriptie juist, in plaats van hem te remmen. Doordat er per gen een eigen combinatie van factoren nodig is, kan één cel heel fijnmazig regelen wat er wanneer aanstaat.

Genexpressie is dynamisch

Of een gen bereikbaar is, hangt ook af van hoe het DNA is opgeborgen. Het is gewikkeld om eiwitkernen tot nucleosomen; hoe strakker opgerold, hoe minder toegankelijk.

Daarnaast kan er aan het DNA een kleine chemische groep worden gehangen — methylering — wat de genexpressie kan beïnvloeden zonder dat de basenvolgorde verandert. Zulke patronen kunnen bij celdeling worden behouden. Overerving via geslachtscellen hangt van het mechanisme en organisme af: dat is het terrein van de epigenetica. Een derde route is RNAi, waarbij kleine RNA-moleculen het mRNA blokkeren of afbreken, zodat er alsnog geen eiwit komt.

Als de regulatie stukgaat

Mutagene factoren — uv-straling, röntgenstraling, stoffen uit rook — vergroten de kans op mutaties. Raakt daarbij een gen dat over celdeling gaat, dan kan de regulatie zelf ontsporen.

Twee soorten genen zijn daarbij van belang. Een proto-oncogen stimuleert normaal de celdeling; door een mutatie kan het blijvend aanstaan en wordt het een oncogen — het gaspedaal blijft ingedrukt. Een tumorsuppressorgen remt juist af of laat een beschadigde cel afsterven; valt het uit, dan is de rem weg. Meestal is er meer dan één zo'n mutatie nodig voordat een cel echt ongecontroleerd gaat delen.

DNA als informatiedrager

DNA is de informatiedrager van al het leven. De genetische informatie ligt in de volgorde van vier basen, en met de genetische code valt daaruit af te lezen welke aminozuren er in een eiwit komen.

Dat die code bij bacteriën, planten, schimmels en dieren vrijwel gelijk is, is een sterk argument voor gemeenschappelijke afstamming. Het heeft ook een praktisch gevolg: een geschikt menselijk coderend DNA-fragment met passende regelgebieden in een bacterie een menselijk eiwit kan opleveren. Introns en benodigde eiwitbewerking kunnen aanvullende aanpassingen vragen.

Het genoom is alle erfelijke informatie van een organisme bij elkaar. De omvang daarvan zegt weinig over de ingewikkeldheid — sommige planten en amfibieën hebben een veel groter genoom dan de mens. Wat telt is welke genen er zijn en hoe ze geregeld worden.

Verwantschap uit DNA

Bij elke generatie sluipen er veranderingen in de basenvolgorde. Twee soorten die pas kort geleden uiteen zijn gegaan, hebben er weinig kunnen verzamelen; soorten die al lang gescheiden zijn, verschillen op veel meer plaatsen.

DNA-analyse maakt daar gebruik van. Door bij verschillende soorten dezelfde stukken DNA te vergelijken en de verschillen te tellen, is de graad van verwantschap vast te stellen en de volgorde van vertakken in een cladogram te onderbouwen.

Welk stuk je kiest hangt af van de vraag. Genen die nauwelijks veranderen zijn bruikbaar over grote afstanden in de stamboom; sneller veranderende stukken en mitochondriaal DNA passen bij nauw verwante soorten en bij vragen binnen één soort, zoals afstamming en migratie.

DNA-replicatie en meetgegevens

Voor een celdeling wordt het DNA gekopieerd. De twee oude strengen worden plaatselijk gescheiden en ieder dient als matrijs voor een nieuwe complementaire streng. Elke nieuwe DNA-dubbelhelix bevat daardoor één oude en één nieuwe streng: semiconservatieve replicatie.

DNA-polymerase kan nucleotiden toevoegen aan het 3’-uiteinde van een groeiende streng en heeft een primer nodig. De nieuwe streng groeit in de richting 5’ naar 3’. Omdat de twee matrijsstrengen tegengesteld lopen, kan bij een replicatievork één nieuwe streng doorgaand worden gemaakt; de andere ontstaat in stukken die later aan elkaar worden verbonden. Voor havo is vooral het principe van kopiëren en complementariteit van belang; de enzymatische uitwerking biedt verdieping.

Verdubbeling van DNA verandert de ploïdie niet vanzelf. Een diploïde cel blijft na de S-fase diploïd, maar ieder chromosoom heeft twee chromatiden. Bij een grafiek over DNA-hoeveelheid kijk je daarom eerst of de meting per cel, per kern of per chromosoom gegeven is.

PCR vermeerdert een geselecteerd DNA-fragment buiten een cel. Primers bepalen welk fragment wordt gekopieerd. Een groot aantal kopieën helpt bij analyse, maar bewijst niet uit zichzelf van welk persoon of welke soort het oorspronkelijke materiaal komt.

Celcyclus, mitose en kanker

Voordat een cel deelt, kopieert zij in de S-fase haar DNA. Een verdubbeld chromosoom bestaat dan uit twee zusterchromatiden die bij het centromeer samenhangen. Verdubbeling van de hoeveelheid DNA verdubbelt niet meteen het aantal chromosomen: tel de centromeren, niet de losse chromatiden.

Bij mitose worden de zusterchromatiden verdeeld over twee nieuwe celkernen. Na de deling van het cytoplasma ontstaan meestal twee dochtercellen met hetzelfde chromosoomaantal als de moedercel. Mitose maakt groei, herstel en veel vormen van ongeslachtelijke voortplanting mogelijk. Meiose heeft een andere uitkomst: na één DNA-verdubbeling volgen twee delingen en ontstaan haploïde cellen.

Controlepunten in de celcyclus beperken deling als DNA beschadigd is. Reparatie of apoptose kan voorkomen dat een beschadigde cel verder deelt. Kanker kan ontstaan als veranderingen in meerdere regelgenen groei en deling ontregelen. Een tumor is niet automatisch kwaadaardig; ingroei in omliggend weefsel en verspreiding van tumorcellen kenmerken kwaadaardigheid. Een mutatie in een lichaamscel gaat meestal niet naar kinderen, maar kan wel aan de dochtercellen van die cel worden doorgegeven.

Typen mutaties

Een mutatie is een blijvende verandering in het erfelijk materiaal. Op de kleinste schaal gaat het om één base: een puntmutatie. Door de reservecapaciteit in de genetische code verandert het aminozuur daarbij lang niet altijd.

Een insertie voegt basen toe, een deletie haalt ze weg. In een eiwitcoderend gedeelte verschuift bij een aantal dat geen veelvoud van drie is het leesraam; downstream veranderen codons en kan vroeg een stopcodon ontstaan. Zo'n leesraamverschuiving heeft daardoor veel grotere gevolgen dan één verwisselde base.

Op de grootste schaal staat de genoommutatie: het aantal hele chromosomen verandert, doordat een paar bij de meiose niet uit elkaar gaat. Voor alle typen geldt hetzelfde onderscheid — een mutatie in een geslachtscel kan bij bevruchting worden doorgegeven. Een mutatie in een lichaamscel kan aan haar dochtercellen worden doorgegeven en bereikt bij menselijke geslachtelijke voortplanting gewoonlijk niet de kinderen. Bij ongeslachtelijke voortplanting kan zij wel in een nieuw individu terechtkomen.

Oorzaken en herstel

Mutaties ontstaan ook uit zichzelf, doordat het kopiëren van DNA nooit helemaal foutloos verloopt. Mutagene stoffen en mutagene straling verhogen dat aantal: teer uit sigarettenrook, sommige bestrijdingsmiddelen, uv-licht, röntgen- en gammastraling.

Daar staat het DNA-repairsysteem tegenover. Enzymen lopen de streng na, herkennen een beschadiging of een kopieerfout en herstellen die aan de hand van de andere streng. Verreweg de meeste fouten worden zo weggewerkt, nog voordat de cel deelt.

Wat ontsnapt, ligt vast. Zit de fout in een gen dat de celdeling regelt, dan kan de cel ongeremd gaan delen. Zit hij in een geslachtscel die aan een bevruchting deelneemt, dan kan hij naar de volgende generatie gaan. Genetische modificatie is hiervan het spiegelbeeld: daar wordt het DNA juist doelbewust veranderd.

Mutaties zijn toevallig

Een mutatie is geen antwoord op een behoefte. Ze treft een willekeurige plaats in het DNA, en of het resultaat gunstig uitpakt hangt volledig af van de omgeving waarin het individu leeft.

Verreweg de meeste veranderingen zijn neutraal of nadelig. Een eiwit dat al miljoenen jaren naar behoren werkt, wordt door een willekeurige wijziging zelden beter. Toch zit er af en toe een bij die de overlevingskans vergroot, en juist die wordt door selectie talrijker.

De volgorde is dus omgekeerd aan wat het lijkt. Bacteriën worden niet resistent doordat er een antibioticum is; er was toevallig al een resistente bacterie, en het antibioticum ruimt de rest op. Zonder toevallige mutaties zou er geen materiaal zijn waarop selectie kan aangrijpen.

Genetische modificatietechnieken

Met recombinant-DNA-technologie wordt DNA van verschillende herkomst samengevoegd. Een gen wordt met restrictie-enzymen uitgeknipt, in een plasmide of een virus gezet en zo een gastheercel binnengebracht, die het vervolgens afleest alsof het van haarzelf is. Bacteriën maken op die manier menselijke insuline.

Bij planten wordt onderscheid gemaakt naar de herkomst van het gen. Een cisgeen komt uit dezelfde soort of uit een soort waarmee kruisen mogelijk is; hetzelfde resultaat was met langdurig veredelen in principe ook te bereiken. Een transgeen komt uit een soort waarmee kruisen onmogelijk is, bijvoorbeeld een bacteriegen in een maïsplant.

Dat onderscheid is niet alleen technisch. Het speelt een rol in de discussie over toelating en etikettering, en in de vraag hoe ingrijpend zo'n verandering eigenlijk is.

DNA-technieken en afwegingen

Bij DNA-analyse stel je eerst vast wat de techniek meet. PCR vergroot de hoeveelheid van een afgebakend fragment. Bij gelelektroforese worden DNA-fragmenten op lengte gescheiden; kleinere fragmenten bewegen doorgaans verder door de gel. Sequencing levert informatie over de basenvolgorde. Een bandenpatroon en een basenvolgorde zijn dus verschillende soorten gegevens.

Een DNA-profiel vergelijkt gekozen variabele plaatsen. Een overeenkomst kan een hypothese ondersteunen, maar interpretatie vraagt controle op mengsporen, verontreiniging en de kans op toeval. De techniek leest niet automatisch iemands volledige fenotype.

Bij genetische modificatie wordt erfelijke informatie gericht veranderd of ingebracht. Een plasmide kan als vector dienen. Bij genbewerking, bijvoorbeeld met CRISPR-Cas, wordt een gekozen DNA-plaats aangepakt; het resultaat moet worden gecontroleerd omdat ongewenste veranderingen mogelijk zijn.

Een biologische afweging beschrijft gevolgen voor organismen en systemen. Een ethische afweging gaat ook over waarden, toestemming, verdeling van voordeel en risico, en aanvaardbaarheid. Het bestaan van een technische mogelijkheid is niet hetzelfde als een reden om haar toe te passen. Benoem bij een beargumenteerd oordeel daarom een concreet voordeel, een concreet risico en de waarde waarop je uiteindelijke keuze berust.